Digital Alloys CEO Duncan McCallum über Joule Printing und die Zukunft der Metall-3D-Fertigung

Der Anstieg des Metall-3D-Drucks im vergangenen Jahr ist gut dokumentiert. Mit neuen Marktteilnehmern in rasantem Tempo ist Digital Alloys ein Unternehmen, das zu dieser Entwicklung beiträgt. 2017 gegründet, hat Digital Alloys seine patentierte Joule-Printing-Technologie für hochgeschwindiges metallisches additives Fertigen entwickelt. Die Technologie verspricht schnellere Produktionsgeschwindigkeiten, niedrigere Kosten und hochwertige Teile, die mit konventioneller Fertigung konkurrieren. Nachdem das Unternehmen erfolgreich eine Series-B-Finanzierungsrunde über 12,9 Millionen Dollar abgeschlossen hat, scheint es auf dem besten Weg, den Metall-3D-Druck-Markt zu disruptieren.

Wir sprachen mit Digital Alloys CEO Duncan McCallum, um mehr über Joule Printing und seine Gedanken zur Zukunft des Metall-3D-Drucks zu erfahren.

Digital Alloys machte kürzlich Schlagzeilen mit der Nachricht von zwei neuen Patenten für seine Joule-Printing-Technologie. Könnten Sie erklären, wie die Technologie funktioniert?

Zunächst beginne ich mit dem Problem, das wir lösen: Es gibt heute schlichtweg nicht viele gute Optionen, wenn man 3D-Druck für die Produktion einsetzen will. Das liegt daran, dass Systeme zu langsam sind, Produktionskosten zu hoch und Prozesse zu komplex. Das macht es schwierig, konsistent hochwertige Metallteile zu erhalten.

Unser Lösungsansatz ist Joule Printing. Die Technologie verwendet Draht, der im Vergleich zu Pulver und anderen Materialien kostengünstig ist. Der Draht wird in ein Präzisionsbewegungssystem mit präziser Drahtzuführung eingespeist. Die Dratspitze wird an die Stelle am Bauteil bewegt, an der eine Drucklinie beginnen soll, sodass sie das Bauteil berührt. Die Dratspitze wird dann geschmolzen, indem ein Strom durch den Draht in das kontaktierende Bauteil geleitet wird. In der Physik wird dies als Widerstandsheizung oder Joule-Heizung bezeichnet – vergleichbar mit der Heizspirale in einem Toaster.

Was sind die Vorteile der Joule-Printing-Technologie?

Bei der Joule-Heizung wird das Metall von innen erhitzt. Da es keine thermische Zeitkonstante gibt, kann das Metall sehr schnell und mit sehr geringem Energieaufwand erhitzt werden. Das bedeutet, es gibt keine thermodynamische Geschwindigkeitsbegrenzung; wir können mit der Geschwindigkeit drucken, mit der wir präzise und genau bewegen können. Unser Ziel sind 5 bis 10 kg/Stunde bis Jahresende. Durch die sehr hohe Geschwindigkeit und niedrige Rohmaterialkosten werden die Gesamtproduktionskosten signifikant reduziert.

Zusätzlich lässt sich genau messen, was im Schmelzbad passiert – man weiß exakt, wo es sich befindet, wie viel Metall hineingeht und wie viel Wärme zugeführt wird. Wir nutzen all diese Parameter, um den Prozess in Echtzeit zu steuern – ein enges, geschlossenes Regelungssystem – und erfassen die Prozessdaten zur Offline-Analyse.

Das Ergebnis ist ein System, das Metall extrem schnell und in hoher Qualität drucken kann, günstig genug, um für viele Anwendungen billiger als konventionelle Fertigung zu sein.

Wie schneidet Joule Printing im Vergleich zu anderen Metall-AM-Systemen am Markt ab?

Es gibt drei weitere Technologiekategorien zu betrachten. Die erste, die populärste, ist Pulverbettfusion (Powder Bed Fusion). Dabei wird Metallpulver in einer dünnen Schicht verteilt und mit einem Laser oder Elektronenstrahl geschmolzen.

Die Herausforderung bei der Pulverbettfusion: Pulver sind sehr teuer und viel geht im Prozess verloren, was zu sehr hohen Materialkosten führt. Man ist auch geschwindigkeitslimitiert, wie schnell man das Pulver schmelzen kann: Da man von oben nach unten erhitzt, muss man warten, bis die Wärme durch das Pulder wandert. Es ist fast wie das Braten einer Pute – ein Prozess, der immer ein paar Stunden dauert. Man kann nicht schneller werden durch mehr Hitze, weil man die Außenseite verbrennt. Ähnlich verhält es sich bei der Pulverbettfusion: Man würde das Pulver verdampfen. Insgesamt ist dies ein ziemlich teurer und komplexer Weg, ein Teil herzustellen.

Die zweite Kategorie ist Binder Jetting. Binder-Jetting-Systeme gehen das Geschwindigkeitsproblem an. Sie verwenden ein niedrigerwertiges Pulver, also günstiger, aber das Material ist immer noch viel teurer als Draht. Die Systeme spritzen Kleber Schicht für Schicht, um ein sogenanntes Grünteil aufzubauen. Ein Grünteil besteht typischerweise zu 20 % aus Kleber. Der Kleber muss dann in einem Chemiebad entfernt und das Teil in einen Ofen zum Sintern gegeben werden. Dabei hofft man, dass das Teil um 20 % schrumpft, um volle Festigkeit und Dichte zu erreichen.

Dieser Prozess funktioniert ziemlich gut für kleine, dünne Teile (kleiner als ein Baseball). Aber wenn die Wandstärken dicker als etwa 1 Zentimeter sind, kann man nicht auf Volldichte schrumpfen, weil man nicht genug Wärme in das Teil transportieren kann. Auch der Versuch, dickere Wände um 20 % schrumpfen zu lassen, ist eine große Dimensionsänderung, sodass die Dimensionsgenauigkeit schwer zu halten ist. Das Nettoergebnis: Diese Technologie funktioniert nicht wirklich gut für Teile mit Wandstärken über 1 Zentimeter oder für größere Teile.

Die dritte Kategorie, die man in Betracht zieht, ist Direct Energy Deposition (DED), insbesondere drahtbasierte Systeme. Zwar verwenden diese Systeme auch Draht, aber dieser ist meist ein dicker Draht, typischerweise 3 Millimeter Durchmesser. Man schmilzt den Draht dann mit Laser, Elektronenstrahl oder Lichtbogen, ähnlich wie beim Lichtbogenschweißen.

Zwar können diese Systeme ziemlich hohe Druckgeschwindigkeiten erreichen, die Herausforderung ist jedoch die Auflösung. Da das Metall tropft oder sprüht in die Drucklinie, erhält man eine Drucklinie, die viel dicker ist als der Draht. Das bedeutet, man kann nur grobe, niedrigauflösende Teile drucken. Zudem ist die Teilegeometrie begrenzt, weil es schwierig ist, überhängende Bereiche zu drucken, wenn geschmolzenes Metall getropft oder gesprüht wird. DED-Maschinen sind auch tendenziell teuer, weil man viel Leistung braucht, um Metall auf diese Weise zu schmelzen. Diese Systeme werden daher typischerweise für sehr große Teile eingesetzt, wie die Größe eines Flugzeugrumpfs, eignen sich aber nicht so gut für hohe Auflösungsanforderungen.

Also war der Antrieb hinter der Joule-Printing-Technologie, all diese Probleme zu lösen?

Ja. Um die Probleme von Geschwindigkeit, Produktionskosten und Qualität zu lösen.

Abgesehen von Geschwindigkeit, Kosten und Teilequalität, welche weiteren Herausforderungen sehen Unternehmen, die Metall-3D-Druck für die Produktion einführen wollen?

Es gibt die Frage, bedacht zu sein, welche Technologien am besten zu welchen Anwendungen passen. Es ist wichtig, klar zu sein über das Problem, das man lösen will, und das richtige Werkzeug dafür zu wählen.

Es ist wie in der konventionellen Fertigung: Nicht jedes Metallteil wird gleich hergestellt. Manche Dinge werden gefräst, andere geschmiedet, gestanzt oder gegossen. Es gibt keinen One-Size-Fits-All-Ansatz für jedes Problem. Beim Metall-3D-Druck ist es dasselbe.

Wie sehen Sie die Entwicklung des Metall-3D-Drucks in den nächsten 5 Jahren?

Wenn der Metall-3D-Druck heute etwa eine 2-Milliarden-Dollar-Industrie ist, stelle ich mir vor, dass er in 5 Jahren eine 30-Milliarden-Dollar-Industrie sein wird.

Das liegt an den drei enormen Vorteilen des 3D-Drucks: Erstens spart man viel Zeit, weil man direkt vom Design zum Teil kommt, ohne Werkzeugbau. Zweitens kann man interessante Geometrien erreichen, die man mit konventioneller Fertigung nicht anders hinbekommt. Drittens, wenn man die richtige Technologie für die richtige Anwendung wählt, kann man die Produktionskosten massiv senken.

Welche Rolle wird Digital Alloys in dieser Entwicklung spielen?

Digital Alloys wird eine riesige Rolle spielen. Wir sind billiger als konventionelle Fertigung für eine sehr große Kategorie von Teilen. Das bedeutet, man kann unsere Technologie nutzen, um Produktionskosten zu senken, ohne das Teil neu zu designen oder andere Änderungen vorzunehmen. Und das ist für Kunden sehr attraktiv.

Welche Branchen zielen Sie mit Joule Printing an?

Wir beginnen als Anbieter gedruckter Teile, mit dem Ziel, unsere Drucker Anfang 2020 auszuliefern. In unseren ersten Anwendungen fokussieren wir uns auf Bereiche, wo wir Produktionskosten im Vergleich zur konventionellen Fertigung senken können. Das ist besonders wahr für Teile, die aus Metallen gefräst werden, die schwer zu bearbeiten sind, wie Titan, Werkzeugstahl, Nickel-Legierungen und Edelstahl.

Joule Printing ermöglicht es, ein Near-Net-Shape-Teil zu drucken, das den Ausschuss und das Schruppfräsen eliminiert und große Einsparungen generiert. Ein Beispiel sind Titanbauteile in Luftfahrt, Medizintechnik und Schifffahrt. Eine zweite Anwendung ist Werkzeugbau, da Werkzeugstähle sehr schwer zu fräsen sind. Mit 3D-Druck kann man Kühlkanäle in die Werkzeuge integrieren, beispielsweise einen Druckguss-Einsatz mit internen Kühlkanälen, die das Werkzeug schneller abkühlen und die Zykluszeit verkürzen. Unsere Kunden dafür sind Automotive, Konsumgüter und Luftfahrt.

Betrachtet man additive Fertigung, gibt es einen Trend, der Sie am meisten begeistert?

Der Übergang vom Prototyping zur Produktion. Das ist sicherlich der größte Trend derzeit.

Wie sieht die Zukunft für Digital Alloys aus?

Wir werden 2019 unsere erste Fabrik bauen. In der Produktion geht es nicht nur um die Technologie. Man muss wissen, wie man Bediener einstellt und schult, eine Lieferkette aufbaut, Quality Assurance betreibt, Zertifizierung, regulatorische Zulassungen sicherstellt und so weiter. Wir machen das zuerst, um es unseren Kunden leichter zu machen, nachzuziehen. Danach planen wir, Anfang 2020 mit dem Versand unserer Drucker zu beginnen.

Mehr über Digital Alloys erfahren Sie unter https://www.digitalalloys.com/.